PROJETO DE UMA MÁQUINA ARREMESSADORA DE BOLAS DE

PROJETO DE UMA MÁQUINA ARREMESSADORA DE BOLAS DE BEISEBOL
Rodolfo Ferreira Luz
[email protected]
Rodrigo Augusto Frey Sabato
[email protected]
Resumo: O presente trabalho tem por objetivo desenvolver um projeto de uma máquina arremessadora de bolas de
beisebol, capaz de auxiliar atletas de nível universitário a praticar e exercitar habilidades requeridas no esporte. Esse
processo, dividido em duas fases, se iniciou após terem sido obtidos os resultados do Estudo de Viabilidade, no qual
atestamos que existe a necessidade para tal produto, e determinamos algumas de suas principais características
construtivas. Teve início, então, a primeira fase (referente ao projeto da máquina) onde o dimensionamento das peças
e sistemas que constituem tal máquina foi feito, tendo em mente não só os resultados esperados, como a praticidade
empregada em obtê-los. Através de diferentes técnicas, para os diferentes sistemas da máquina foi possível projeta, de
forma prática, o sistema de alimentação (responsável por levar a bola até o ponto de arremesso), o sistema de
arremesso (com o auxílio de motores e rolo), e o sistema de suporte e fixação (responsável por manter o equipamento
fixo e estável numa mesma posição). Terminada essa etapa, a segunda fase do projeto se baseou em construir o
protótipo da máquina, seguindo as especificações obtidas na primeira etapa.
Palavras chave: arremessadora, máquina, beisebol, projeto.
1.
Introdução
De acordo com o Estudo de Viabilidade previamente desenvolvido, obtivemos as principais características que
nortearão tanto o projeto quanto a construção da máquina arremessadora, representadas na tabela 1.1.
Após análises e comparações dos principais tipos de máquinas encontrados no mercado, chegamos à solução
que se encaixa melhor aos objetivos estipulados no princípio do trabalho, respeitando os parâmetros funcionais,
operacionais e construtivos citados no Estudo de Viabilidade. Tal decisão baseou-se na tabela de funções e alternativas
de projeto (tabela 1.2), e conseqüente matriz de decisão (tabela 1.3).
Tabela 1.1: Alternativas de projeto.
FUNÇÕES
I - Sistema de
Alimentação
II - Sistema de
Sustentação
III - Sistema de
Lançamento
IV - Transporte
manual
A
B
C
Alimentação Alimentação
Superior por Superior por AUSENTE
Canaleta
Afunilamento
Tripé
Tripé
Tripé Rígido
Articulado
Apoiado
Rolos
Rolos
Compressor
Verticais
Horizontais
Alças
Rodas
AUSENTE
Tabela 1.2: Caracterização das Soluções
FUNÇÕES
.
I - Sistema de
Alimentação
II - Sistema de
Sustentação
III - Sistema de
Lançamento
IV - Transporte
manual
ALTERNATIVAS DE SOLUÇÃO
Arremessadora Arremessadora Arremessadora de Arremessadora de
Bolas Curvas
de Bolas curvas Bolas Curvas "Top
de Bolas
Mistas
or Back Spin"
"Side Spin"
Rápidas
A, B ou C
A ou C
A ou C
A ou C
A, B ou C
A, B ou C
A, B ou C
A, B ou C
C
A
B
AeB
A ou B
B ou C
B ou C
B ou C
Tabela 1.3: Matriz de Decisão.
ATRIBUTO
Peso da
Arremessadora
Precisão nos
arremessos
Velocidade atingida
Rigidez Estrutural
Confiabilidade
Durabilidade
Custo de fabricação
Investimento
necessário
Utilização de
componentes padrão
Soma
PESO
Arremessadora de
Bolas Rápidas
Arremessadora de
Arremessadora de
Arremessadora de
Bolas curvas "Side Bolas Curvas "Top or
Bolas Curvas Mistas
Spin"
Back Spin"
nota
nxp
nota
nxp
nota
nxp
nota
nxp
0,12
4
0,48
6
0,72
6
0,72
4
0,48
0,15
0,12
0,12
0,18
0,09
0,09
7
5
7
2
4
7
1,05
0,60
0,84
0,36
0,36
0,63
6
4
5
6
4
5
0,90
0,48
0,60
1,08
0,36
0,45
6
4
6
6
7
5
0,90
0,48
0,72
1,08
0,63
0,45
6
4
3
5
6
5
0,90
0,48
0,36
0,90
0,54
0,45
0,07
4
0,28
5
0,35
5
0,35
4
0,28
0,06
1
7
0,42
5,02
6
0,36
5,30
6
0,36
5,69
5
0,30
4,69
Portanto, a solução escolhida foi uma Máquina Arremessadora de Bolas Curvas “Top or Back Spin” com base
de sustentação na forma de tripé com rodas, com sistema de lançamento por rolos verticais e sistema de alimentação
superior por canaleta. Tal solução se baseia na idéia da figura 1.1.
Figura 1.1: Exemplo de uma máquina arremessadora com sistema de lançamento por rolos.
A solução escolhida inicialmente (com dois rolos verticais) encontra-se esquematizada na Figura 1.2 a seguir:
Figura 1.2: Ilustração da idéia inicial da máquina.
No entanto, surgiu uma discussão quanto ao número e utilização dos motores que controlariam tais rolos. Duas
idéias foram apresentadas e discutidas: utilizar dois motores, sendo que cada um controlaria um rolo
independentemente, ou a utilização de apenas um motor, com um redutor que transmitisse rotações iguais a ambos os
rolos.
Como nenhuma das alternativas atendeu às expectativas integralmente, foi tomada a decisão de modificar um
pouco o projeto, baseado na observação de uma máquina desativada, durante visita ao campo do Gigantes. A nova idéia
consiste em utilizar uma placa oposta ao rolo inferior, fazendo o papel do rolo superior, comprimindo a bola e efetuando
o arremesso. O esquema da nova idéia é apresentado na figura que segue (figura 1.3):
Figura 1.3. Projeto final da
2.
máquina.
Dimensionamento
O primeiro passo do projeto consistiu na seleção da roda adequada e de um motor capaz de desenvolver a
potência necessária pra se efetuar o arremesso à velocidade especificada. A seleção do motor foi feita com base nas
características da bola e da rola selecionadas. Esse processo de seleção de motor foi iterativo e quando houve
modificações nas características desses elementos, essas foram devidamente contabilizadas. As características da bola,
motor e roda são apresentadas nos próximos tópicos.
2.1
Características do arremesso e da bola
Antes de se iniciar os cálculos, foram coletadas algumas informações sobre a bola. A bola oficial utilizada pela
liga profissional americana (vide figura 8.1.1), descrita na página eletrônica da major league baseball [1], apresenta as
seguintes características:
•
Diâmetro = 3,25’’ = 82,55 mm
•
Massa = 150 g
Figura 8.1.1: Foto de bola oficial
Como requisitos de projeto, têm-se, portanto:
• Massa da bola de beisebol: 0,150 Kg
• Intervalo de velocidades aceitáveis para o arremesso: entre 20 m/s e 30 m/s (intervalo aceitável para
o nível universitário)
• Distância do Arremessador até a base: 20 m
2.2
Seleção do motor
De maneira a se reduzir os custos, foi selecionado inicialmente um motor de liquidificador comum.
Além de atingir os requisitos de projeto tais como potência e rotação, trata-se de um motor extremamente leve,
contribuindo, portanto, para o objetivo de facilidade de transporte da Máquina Arremessadora. De posse dos
resultados anteriores, foi selecionado o motor Arno, do modelo de liquidificador Performa Magic Clean, que
opera com freqüência de 60 Hz, voltagem 110/220V, potência de 450 W, rotação 1750 rpm e consumo de
energia de 0,15 kW/h.
2.3
Características e dimensionamento da roda
Utilizando o critério de projeto com apenas uma roda para se imprimir velocidade ao projétil, é
apresentada na figura 2.3.1 o esquema de cálculo das velocidades da bola e da roda durante o arremesso.
Figura 2.3.1: Velocidade Periférica da Roda e da Bola.
V1 é a velocidade da parte superior da bola, em contato com a chapa.
V2 é a velocidade da parte inferior da bola, em contato com a roda.
Vf é a velocidade final de arremesso, média das duas velocidades 1 e 2.
w é a velocidade angular da roda, determinada pela rotação do motor.
r é o raio da roda utilizada.
A partir deste esquema, nota-se que a velocidade periférica da roda deve ser o dobro da requisitada para
a bola. Além disso, para se imprimir a velocidade desejada à bola, o impulso sobre a mesma durante o arremesso
deve ser igual ao impulso que a roda é capaz de gerar. Assim, como requisitos de projeto, têm-se:
• Velocidade periférica mínima da roda: v P = 2 ⋅ v = 40
m/s
• Rotação do motor: 1750 RPM
Deste modo, obteve-se a potência necessária para o arremesso:
• Raio da roda:
v =ω ⋅r → r =
v
ϖ
(m)
Os resultados obtidos estão dispostos na tabela 2.3.1.
Tabela 2.3.1: Potência Necessária no Arremesso
Parâmetro
Rotação (w)
Velocidade esperada (Vf)
Dimensionamento do Raio da Roda (r)
Raio da roda utilizada (r)
Valor médio
1750 rpm = 185 rad/s
70 km/h = 19,4 m/s
209,7 mm
8`` = 203,2 mm
O sistema de sustentação foi projetado de modo a não só ser capaz de suportar todo o peso da máquina
como também garantir estabilidade. Através de observações dos diferentes modos de configuração existentes,
optou-se pelo modo de sustentação por tripé articulado. Fazendo-se uso de um modelo de barra com uma força
normal, determinou-se o diâmetro e a espessura do tubo do tripé suficiente para resistir à flambagem.
3.
Construção do Projeto
A montagem do protótipo foi iniciada com a fixação da roda ao eixo do motor, com a utilização da chaveta e
das buchas, interna e externa, todas ilustradas na figura 12.1 e projetadas conforme os conceitos de fabricação presentes
em NORTON, 1994 [2].
Figura 12.1: Buchas da roda e chaveta de fixação.
A bucha interna da roda foi então fixada ao eixo do motor com auxílio da chaveta (como ilustrado na figura
12.2) para depois prender a roda, que foi comprimida pelas duas buchas (como mostrado na figura 12.3).
Figura 12.2: Bucha interna da roda, já fixada ao eixo do motor.
Figura 12.3: Buchas que se contrapõem, prensando a roda, e mantendo-a fixa.
Pelo sistema descrito das buchas, que prensam a roda, foi possível então fixar a roda (figura 12.4) com a
utilização de um parafuso, passando pelo centro das duas buchas que garantiu o aperto necessário entre elas. Foi
decidido utilizar três pontos de solda entre a roda e a bucha externa como forma de evitar que a roda se soltasse, caso o
motor fosse ligado no sentido de rotação inversa por engano (desapertando, dessa forma, o parafuso) e também para
garantir que o esforço rotativo fosse transmitido integralmente das buchas para a roda (minimizando o deslizamento
entre as partes). O resultado final de tal operação é facilmente visualizado na figura 12.5.
Figura 12.4: Bucha externa entrando para prensar a roda, fixando-a.
Figura 12.5: Roda já fixada, com auxílio do parafuso e pontos de solda.
Com a roda fixada ao motor, deu-se início à fixação do motor à sua base. Tal peça é apresentada na figura 12.6.
Figura 12.6: Base do motor.
O motor foi fixado à sua base através de parafusos (nos buracos previamente especificados no desenho) e o
resultado final dessa etapa de montagem é mostrado na figura 12.7. Finalmente a base, juntamente com o motor já
fixado a ela, foi encaixada no sistema de sustentação com tripés (descritos nos desenhos de fabricação de números 7 e
8) e teve a chapa responsável pelo arremesso acoplada a ela, dando origem ao resultado final da montagem: a máquina
pronta (apresentada na figura 12.8).
Figura 12.7: Motor fixado à sua base.
Figura 12.8: Máquina pronta.
4.
Sugestão para Trabalhos Futuros
Através dos testes realizados foi possível encontrar alguns problemas, e algumas sugestões foram propostas no
caso de haver interesse em otimizar os resultados obtidos nesse trabalho em uma etapa posterior de desenvolvimento:
a)
Peso excessivo
O peso acima do especificado se deveu ao fato de se ter utilizado tubos, chapas e motor super-
dimensionados. Isso ocorreu, no caso dos tubos, por serem os materiais mais fáceis de serem encontrados
comercialmente. Logo, a fim de se reduzir o peso, bastaria adquirir materiais de acordo com o
dimensionamento real do projeto. Com relação ao motor, conforme já foi discutido, somente foi utilizado um
motor do tipo especificado, muito mais potente do que o necessário, por se tratar de um empréstimo,
minimizando bastante os custos e tornando o projeto viável a níveis experimentais. Se a produção em larga
escala fosse algo desejado, seria possível substituí-lo por uma versão muito mais leve e menos potente,
mantendo os mesmos resultados práticos, desde que o eixo fosse mais robusto e capaz de sustentar o peso da
roda em balanço (o que não era o caso do motor inicial desse trabalho).
b) Vibração excessiva
Quanto à vibração excessiva, isto se deveu a duas causas principais: roda desbalanceada e ausência de
coxins. A roda estava desbalanceada pois se tratava de uma roda de carrinho de mão, de baixo custo e cujo uso
cotidiano não requer muita precisão. Assim, para minimizar os efeitos de vibração, uma saída viável seria
comprar uma roda mais balanceada, de preferência as que já são usadas em outras máquinas arremessadoras de
bolas de beisebol, pois estas possuem roda com perfil trapezoidal, são balanceadas e maximizam o contato da
roda com a bola.
A fixação do motor à sua base foi feita de maneira rígida. Logo, sugere-se o uso de coxins nesta
fixação para diminuir a passagem da vibração do motor para o restante da máquina.
c)
Dificuldade de Transporte
Quanto ao transporte, a dificuldade em se transportar a máquina se deve a ausência de locais para se
segurar a máquina e ao seu peso excessivo. Uma vez que o aspecto peso já foi tratado, sugere-se instalar duas
alças à base do motor e rodas de cadeira à base do tripé, o que ajudará consideravelmente no transporte da
máquina.
De maneira a tornar a máquina arremessadora de bolas de beisebol um produto mais atrativo
comercialmente são feitas as seguintes sugestões:
a)
Sistema de alimentação
É imprescindível a existência de um armazenador de bolas, além de um sistema de alimentação
adequado para a máquina que ajudariam consideravelmente na comercialização do produto. Essas medidas
possibilitariam ao usuário a possibilidade de se usar a máquina por um maior período de tempo sem se
preocupar com o recarregamento da mesma.
b) Acionamento do arremesso à distância
A possibilidade de se acionar o arremesso à distância é muito interessante uma vez que permite ao
usuário rebater a bola apenas quando estiver realmente preparado para tal. Por exemplo, com o usuário
posicionado no local para rebatida, ele mesmo aciona um pedal (ligado à máquina por um fio) que faz com que
a bola passe do sistema armazenador para o de lançamento. Deste modo, o usuário tem maior liberdade para
controlar os arremessos.
c)
Ajuste no ângulo de arremesso
Ajuste no ângulo de arremesso possibilita diferentes tipos de treinamento, desde as rebatidas de bolas
baixas à recepção de bolas altas (“Fly Balls”) com luvas, por parte da defesa.
5.
Conclusão
A concepção da máquina arremessadora de bolas de beisebol foi dividida em duas partes distintas, porém interrelacionadas: a de projeto e a de construção. Na primeira, todo o dimensionamento da máquina e suas partes, bem como
seu princípio e condições de funcionamento foram estimados de forma a servirem como metas a serem atingidas na
segunda etapa, seguindo a metodologia descrita. Durante a construção, embora algumas modificações e adaptações
tenham sido necessárias, foram feitos esforços para que os resultados obtidos na primeira fase fossem utilizados e
alcançados com a máxima precisão e fidelidade possível.
Após feita a análise da metodologia a ser utilizada no dimensionamento da máquina e seus sistemas
constituintes, pôde se perceber que todo o processo referente a projetar a máquina, apesar de trabalhoso, não foi de
grande complexidade. A dificuldade maior foi encontrada durante a fabricação do protótipo, onde os resultados obtidos
inicialmente sofreram ajustes e melhorias (à medida que obstáculos e restrições que não haviam sido previstos na fase
de projeto forem sendo encontrados), e as soluções adotadas tiveram de visar não só o bom funcionamento da máquina,
mas também a minimização de desperdícios de tempo e recursos.
Após o término da construção do protótipo, deu-se início aos testes práticos da máquina, obtendo, portanto
resultados concretos a respeito da mesma. A máquina arremessou a bola na distância especificada (20m), mas com uma
velocidade um pouco inferior a de projeto (Vmedida=61,3 Km/h e Vprojeto=65 km/h). A máquina apresentou grande
precisão (73% dos arremessos atingiram o alvo), mas apresentou grande vibração o que prejudicou o aspecto segurança.
Apesar de estar dentro dos limites dimensionais (95x60x55cm), a máquina ficou acima do peso ideal (Pmedido=33,6
Kgf e Pprojeto= 25Kgf).
Por fim, a máquina mostrou-se bastante robusta uma vez que, após 2 meses de uso quase que praticamente
ininterruptos, não apresentou nenhum problema elétrico ou mecânico.
5.
Referências Bibliográficas
[1] Dados sobre o Beisebol Internacional. Disponível em: < http://www.mlb.com>. Acesso em: 18 de março de 2006.
[2] NORTON, R. L. Projeto de máquinas, São Paulo, Bookman, 2ª Ed, 1994.
Direitos autorais
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
PROJECT OF AN AUTOMATIC BASEBALL PITCHER MACHINE
Rodolfo Ferreira Luz
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Rodrigo Augusto Frey Sabato
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Abstract. The objective of this present work is to develop a Project of an automatic baseball pitcher machine, capable
of helping athletes at a college level to practice and improve their skills at the sport. This process, divided into two
phases, started after the results achieved at the “Feasibility Study”, where it was found that there is a need for this kind
of product in Brazil, and also some of its main constructive characteristics were determined. The first phase (related to
the project itself) could then begin with the calculations of the pieces and systems of the machine, keeping in mind not
only the expected results, but also the practical form of obtaining them. Through different techniques, as described
above, it was possible to determine the forms and functions of the feeding system (responsible for taking the ball to the
pitching point), the pitching system (helped by electric engines and rolls), and the support system (responsible for
maintaining the machine stable at a given position). Done with this stage, it was possible to proceed to the second
phase of the project which consisted on building the machine prototype.
Keywords. pitcher, machine, baseball, project.